Современные светодиоды

Слой растекания тока

В светодиоде с тонким верхним барьерным слоем ток инжектиру­ется в ту часть активной области, которая расположена под верхним электродом. Следовательно, свет генерируется преимущественно в об­ласти под непрозрачным металлическим контактом, что ведет к низкой величине коэффициента оптического вывода такого светодиода. Эту проблему можно решить при помощи слоя растекания тока, уводя­щего ток в области, расположенные за пределами верхнего электрода.

Слой растекания тока и окно (оконный слой) синонимы. Термин «оконный» указывает на то, что данный слой прозрачный и что он предназначен для повышения коэффициента оптического вывода све­тодиода.

Полезные свойства таких слоев были обнаружены еще на ранних этапах развития светодиодов. Так, в работе (Nuese et al., 1969) было показано, что применение слоев растекания тока существенно повыша­ет оптическую мощность светодиодов GaAsP. Окно является первым полупроводниковым слоем, расположенным между верхним барьерным слоем и верхним омическим контактом. На рис. 8.1 показано влияние слоя растекания тока. Из рис. 8.1, а видно, что в светодиоде без этого слоя свет излучается только по периметру верхнего контакта, а введение окна позволяет получить более ровную и яркую излучающую поверхность, показанную на рис. 8.1,6.

Слой растекания тока

Рис. 8.1. Влияние слоя растекания тока на выходную мощность светодиодов: а — вид сверху на светодиод без окна, излучение наблюдается только по пери­метру верхнего контакта; б —вид сверху на светодиод с окном (Nuese et al.,

1969)

В работе (Nuese et al., 1969) рассмотрены слои растекания тока, со­стоящие из тройных твердых растворов GaAsP и бинарных соединений GaP, и определены требования к таким слоям. Окна должны обладать низким удельным сопротивлением, большой толщиной для усиления эффекта растекания тока и прозрачностью для снижения потерь на поглощение. Для уменьшения потерь на поглощение в этой работе предложено увеличить концентрацию фосфора в твердом растворе GaAsi_xP* (0,45 < х < 1) в слое растекания тока, что выше его доли в активной области GaAsi-aPx (х = 0,45). При таком соотношении концентраций фосфора слой растекания тока будет обладать большей шириной запрещенной зоны, чем активная область. Однако свойства слоев растекания тока были рассмотрены только качественно. Теоре­тические основы применения этих слоев в устройствах с линейной геометрией контактов, которые будут обсуждаться в следующем разде­ле, даны в работе Томпсона (Thompson, 1980). Слои растекания тока используются в структурах большинства светодиодов с расположением р-п-перехода (областью излучения) в верхней части кристалла — све­тодиоды AlGaAs (Nishizawa et al., 1983; Moyer, 1988), GaP (Groves et al., 1977, 1978a, 1978b) и AlInGaP (Kuo et al., 1990;Sugawara et al., 1991, 1992a, 1992b).

Рис. 8.2 схематично иллюстрирует влияние слоя растекания то­ка. Без этого слоя (рис. 8.2, а) область инжекции носителей тока в активную область практически ограничена размерами контакта. При добавлении слоя растекания область инжекции заметно увеличивается (рис. 8.2,6).

Слои растекания тока применяются преимущественно в струк­турах светодиодов с областью излучения, расположенной сверху. На рис. 8.2, в и г показаны структуры двух светодиодов AlInGaP видимого спектра излучения, выращенные на подложках GaAs. Об использовании GaP-слоев растекания тока сообщалось в работах Куо и др. (Kuo et al., 1990) и Флетчера и др. (Fletcher et al., 1991а, 1991b). Ширина запрещенной зоны GaP, Едоар = 2,26 эВ, поэтому слой

верхним

барьерный

слой

Слой растекания тока

омическим

контакт

о кшгм GaP слой легированный Mg мкм растекания тока

AlGaAs р-тина

0.5-1 мкм АНпР. и ироиаппьш Мк

AlInGaP гнійна

0,5-1 мкм AlInGaP активная область

активная область AlInGaP нелегированный

1.0 мкм ЛПпР лшнговешпыйтс

AllnUaP п-пша

подложка GaAs n-типа легированние Те

подложка GaAs n-типа

1— N-контакт

1— N-контакт

Р-контакт

-p+-GaAs

Рис. 8.2. Влияние слоя растекания тока в светодиодах AlInGaP на величину коэффициента оптического вывода: а —светодиод без слоя; б —добавление в светодиод окна («оконного слоя»); в —структура светодиода GaP со слоем растекания тока (Fletcher et al., 1991а, 1991b); г —структура светодиода Al­GaAs со слоем растекания тока (Sugawara et al., 1992а, 1992b)

прозрачен для излучения красной, оранжевой, желтой и зеленой обла­стей видимого спектра. Были изготовлены светодиоды с длинами волн излучений вплоть до 550 нм. Бинарный полупроводник GaP прозрачен для фотонов с энергией меньше ширины запрещенной зоны. В спектрах поглощения GaP слабо выражен «хвост Урбаха» в области Тіш < Ед. Кроме того, GaP относится к классу непрямозонных полупроводников, коэффициент поглощения которых меньше, чем прямозонных. Поэтому свет мало поглощается даже в толстом слое растекания тока.

Однако между параметрами решеток GaP и нижележащих эпитак­сиальных слоев существует довольно большое несоответствие. Посто­янные решеток нижнего и верхнего барьерных слоев, а также активной области согласованы с постоянной решетки GaAs подложки. Поскольку постоянная решетки GaP меньше постоянной GaAs приблизительно на 3,6%, существует большая вероятность возникновения проникаю­щих дислокаций и дефектов несоответствия на границе GaP — верхний барьерный слой. Можно предположить, что дислокации, играющие роль центров безызлучательной рекомбинации, не будут приводить к ослаблению внутреннего квантового выхода излучения светодиодов, поскольку они расположены либо в слое растекания тока, либо на его границе с барьерным слоем, т. е. вдали от активной области. Однако если в ходе работы устройства эти дислокации прорастут вниз, ближе к активной области, квантовый выход и надежность светодиодов могут ухудшиться. Правда, опыт показал, что эти явления довольно редки: светодиоды AlInGaP/GaAs обладают отличной надежностью и высоким квантовым выходом излучения.

Альтернативный подход к повышению коэффициента оптического вывода светодиодов AlInGaP/GaAs при помощи слоев растекания тока AlGaAs предложен в работах Сугавары и др. (Sugawara et al., 1991, 1992а, 1992b). При всех х в диапазоне 0 ^ х ^ 1 параметры решетки твердых растворов AlxGai_xAs согласованы с постоянной решетки GaAs. Ширина запрещенной зоны AlAs EsaiAs = 2,9 эВ. При х > 0,45 AlxGai_xAs становится непрямозонным полупроводником. Коэффици­ент поглощения непрямозонных полупроводников намного меньше, чем прямозонных. Поскольку постоянные решеток окна AlGaAs и ниже­лежащего барьерного слоя согласованы, дислокации несоответствия в слое AlGaAs, в отличие слоя растекания GaP, не возникают. Однако в слое растекания тока AlGaAs происходит более сильное поглощение света, чем в слое GaP. Это связано с тем, что AlGaAs является тройным твердым раствором, которому присущи заметные флуктуации концентрации катионов (алюминия и галлия), ведущие к локальным изменениям ширины запрещенной зоны. Это повышает вероятность поглощения фотонов, имеющих энергию меньше ширины запрещенной зоны AlGaAs. Следовательно, показатель хвоста Урбаха у AlGaAs существенно выше, чем у GaP.

Хорошо известно, что методом эпитаксии металлоорганических со­единений из газовой фазы, являющимся основной технологией со­здания кристаллов светодиодов, очень трудно вырастить структуры, содержащие алюминий. Это связано с тем, что алюминий облада­ет повышенной способностью к вступлению в химические реакции и нелегко обеспечить полное отсутствие загрязнения или дефектов на поверхности подложки при выращивании Al-содержащих слоев. Даже самые незначительные протечки в технологическом оборудовании мо­гут привести к разрушению Al-содержащих пленок. Поэтому на прак­тике используют не чистый алюминий, а компоненты с большим его содержанием, например AlAs. Это ведет к ухудшению характеристик слоя растекания тока AlGaAs и их приближению к параметрам слоя GaP. Также следует отметить, что электрические свойства AlAs и AlGaAs с высоким содержанием алюминия несколько хуже, чем у GaP. Однако несмотря на все это, светодиоды AlInGaP слоями растекания тока AlGaAs выпускают серийно, и это направление продолжает раз­виваться.

На рис. 8.3 показано влияние слоя растекания тока GaP р-типа толщиной 2-15 мкм с удельным сопротивлением 0,05 Ом-см на вели­чину коэффициента оптического вывода AlInGaP светодиода (Fletcher et al., 1991а). Приведены данные съемки в микроскопе со встроенной видеокамерой. Для получения показанного профиля интенсивности излучения применялось сквозное сканирование кристалла светодиода в одном направлении, включая центральную часть контактной пла-

6 Ф. Е. Шуберт

I светодиод AlInGaP со слоем

Р Р | растекания тока GaP сканирования р1 "п -

I размеры кристалла:

Г 266,7 х 266,7 мкм2

верхний контакт светодиода

О 50,8 101,6 152,4 203,2 254

Положение внутри кристалла светодиода, мкм

Рис. 8.3. Профили интенсивности излучения для трех кристаллов AlInGaP светодиодов с толщиной окна 2 мкм, 5 мкм и 15 мкм (указаны на рисунке), демонстрирующие влияние толщины этого слоя на величину области растека­ния тока. Траектория сканирования показана пунктирной линией на вставке рисунка. Провал в середине профиля соответствует непрозрачной пластине омического контакта. Для получения профилей применялся микроскоп со встроенной видеокамерой (Fletcher et al., 1991а)

Слой растекания тока

Слой растекания тока

З І «З

і І

II 0,6

Слой растекания тока

стины. Исходя из того, что в любой заданной точке интенсивность излучения прямо пропорциональна плотности тока, удалось определить характеристики распределения тока по слою окна. При толщине окна до 2 мкм наблюдается незначительное растекание тока. Когда толщина этого слоя становится равной 15 мкм, область растекания тока почти достигает краев кристалла. Еще большее увеличение толщины ведет к росту плотности тока по краям кристалла. Однако этого следует избегать из-за одновременного роста влияния поверхностной рекомби­нации.

На рис. 8.4 представлено влияние эффекта растекания тока на внешний квантовый выход светодиодов AlInGaP/GaAs с окном из GaP. При достаточно толстых слоях растекания тока коэффициент оптиче­ского вывода светодиодов увеличивается приблизительно в 8 раз. При сравнении данных измерений при постоянном токе и в импульсном режиме видно некоторое падение квантового выхода излучения свето­диодов при больших токах, что связано с их нагревом.

В работах Сугавары и др. (Sugawara et al., 1991, 1992а, 1992b) проводился поиск оптимальной толщины слоев растекания тока Alo,7oGao,3oAs, используемых в светодиодах AlInGaP/GaAs. Концентрация легирующих примесей р-типа в Alo,7oGao,3oA. s слое

q _ Светодиод AlInGaP со слоем растекания тока из GaP

4

толщина окна - GaP= 15 мкм

Слой растекания тока

постоянного тока — импульсный режим (скважность 300)

3 ц

Слой растекания тока

0

5 мкм 2 мкм

60

/-------------

0 о ь_______ 1 I_ і I______ і I_________ 1 I______ 1 I—

’О 10 20 30 40 50

Прямой ток 1, мА

Слой растекания тока

0,2 j-

Рис. 8.4. Зависимости внешнего квантового выхода излучения (числа фотонов на один электрон) и световой отдачи (лм/Вт) светодиодов AlInGaP/GaAs с ок­ном из GaP толщиной 2 мкм, 5 мкм и 15 мкм от прямого тока. Сплошные линии соответствуют режиму постоянного тока, штриховая линия — импульсному ре­жиму (импульсы длительностью 400 не со скважностью 300). В режиме посто­янного тока наблюдается больший нагрев светодиодов (Fletcher et al., 1991а).

растекания была равна 3 • 1018 см~3. На рис. 8.5 показана зависимость квантового выхода диода от толщины слоя растекания. Видно, что оптимальная толщина окна лежит в диапазоне 5-30 мкм. Для слоев толщиной 15 мкм эффективность светодиодов возрастает в 30 раз по сравнению со светодиодами без слоев растекания тока. Было также показано, что оптимальная концентрация легирующих примесей в слое растекания тока р-типа должна быть меньше 1018см_3.

Применение очень тонких слоев растекания тока (или их от­сутствие) приводит к тому, что большая часть света генерируется в области, расположенной под непрозрачной металлической пластиной контакта, которая мешает выводу излучения за пределы кристалла светодиода. Применение очень толстых окон также имеет свои недо­статки. Во-первых, при использовании толстых слоев растекания то­ка на краях кристаллов светодиодов образуются области повышенной плотности тока, усиливающие поверхностную рекомбинацию и умень­шающие квантовый выход светодиодов. Во-вторых, с ростом толщины слоя растекания усиливается поглощение в этой области фотонов, обладающих энергией меньше ширины запрещенной зоны. В-третьих, окно большой толщины увеличивает омическое сопротивление дио­да, что также снижает его эффективность. В-четвертых, большая длительность процесса выращивания толстых слоев растекания тока может привести к диффузии легирующих примесей из барьерного слоя

0,8

Слой растекания тока

Светодиод AlInGaP Слой растекания тока AL Ga,.As p-типа

0,0

0

10

20

30

Толщина слоя растекания тока AlGaAs, мкм

Рис. 8.5. Зависимость квантового выхода светодиодов AlInGaP/GaAs красного свечения, излучающих свет с длиной волны 565 нм, от толщины слоев расте­кания тока Alo,7oGao,3oAs (Sugawara et al., 1992а)

в активную область, что вызовет снижение внутреннего квантового выхода излучения.

Создание слоев растекания тока часто связано со значительными проблемами, особенно если материалы обладают низкой проводимо­стью. Например, из-за большого удельного сопротивления верхнего барьерного слоя p-типа растекание тока в верхнем слое p-типа в све­тодиоде InGaN/GaN будет очень слабым. Подвижность дырок в нит­ридах III группы обычно равна 1-20 см2/В, а их концентрация — ~ 1017 см-3, поэтому удельное сопротивление такого материала все­гда больше 1 Ом-см. В работе (Jeon et al., 2001) описан светодиод с туннельным переходом, расположенным над активной областью рядом с барьерным слоем p-типа. Слой n-типа сверху туннельного перехода обеспечивает поперечное распространение тока в области под верхним контактом. Таким образом, в состав светодиода с туннельным переходом входят два омических контакта n-типа и ни одного контакта р-типа.

Современные светодиоды

Выбираем светодиодную фитолампу без ошибок

Ключевым моментом для правильного развития растений остается наличие достаточного количества света. Без него останавливается главный биологический процесс — фотосинтез. Это преобразование энергии света в углерод и воду с участием атмосферного …

Какие бывают уличные светодиодные светильники

Светодиодное освещение считается самыми комфортным, практичным и перспективным. Все благодаря преимуществам, открывающимся перед его пользователями. Приборы на светодиодах долговечны, расходуют мало электроэнергии, легко и быстро устанавливаются, отличаются небольшим весом. Это …

Почему выбор светодиодных ламп является хорошей идеей?

Люди всё чаще предпочитают led фонари, также называемые светодиодными. Это закономерно, благодаря наличию нескольких преимуществ перед привычными лампами накаливания. Они достаточно отличаются от традиционного освещения, так как led лампочки используются …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.